新型测试燃烧器热辐射特性分析

2021-05-24陈建旭

西部探矿工程 2021年6期

陈建旭

（中国石油长城钻探工程公司测试公司，北京100101）

在石油勘探过程中的试油工程作业中，燃烧器是石油钻井平台上不可或缺的关键设备[1-2]。国内外在燃烧器的研制方面已经有了相当大的进展，但不能充分燃烧、热辐射大等情况一直是困扰科研人员和现场作业人员的难题。目前燃烧器结构采用扩散燃烧方式，燃料以较高的速度从喷头喷孔径向喷入套筒内，然后再以低流速喷出套筒与外界空气剪切混合，再被点燃并快速燃烧。由于套筒内部燃料喷孔告诉喷射形成啸叫声，并于套筒内部极易形成共振，放大噪声[3-5]，同时套筒出口流速较低，燃料大截面低速喷射动能较小，与外界空气混合状态较差，以扩散燃烧方式燃烧着火点离套筒出口不远处，并在浮力作用下，形成向上燃烧的火焰形式。此外套筒底部封死无氧气供应，着火点根部热量较低，火焰根部不稳定，湍流脉动较大，受环境影响较为剧烈，且后部冷空气无法进入套筒内部给予降温，会导致套筒在高温辐射下变形损坏。

通过数学建模和热辐射特性分析[6]，可以对新型燃烧器的燃烧状况和热辐射量进行初步分析。本文通过ANSYS软件对新型燃烧器的温度分布[7-8]、套管内外热流密度进行分析，对新型燃烧器燃烧的稳定性和本体在热辐射环境下的可靠性都提供了重要的依据。

1 新型燃烧器结构设计

新型燃烧器喷头采用多分支组件，增加了带有倾角的喷孔数量，把原有侧向开孔改为10分支，每分支4～5喷孔并向前15°～17°扩散喷射。尾部增加了旋转双层孔板构成尾部可调风门结构（见图1），套筒内壁增设了文丘里结构，这种结构可以使前端燃料喷射能量形成负压，增加燃料与空气的混合程度，形成局部预混燃烧，稳定火焰根部，同时可以利用空气来冷却燃烧器本体，再加上套筒内外部都增设了耐火浇注材料，可以极大地增加本体的使用寿命[9-10]，防止变形。

图1 新型燃烧器结构图

2 新型燃烧器热辐射数值分析

新型燃烧器热辐射数据是按照不同放喷工况进行分析。新型燃烧器套筒后部将径向喷射为前向扩散射流，通过燃料自身高速射流的能量，在套筒内部无乱流，多分支喷头上的燃料射流形成的负压可以使后部空气从多分支喷头中间隙进入，与燃料发生预混，形成局部负压引射后部进入大量空气，使原有扩散燃烧变为部分预混燃烧方式，确保火焰根部离开燃烧器减小热辐射对燃烧器本体的损伤，同时确保高效燃烧[11-12]。加上冷空气的冷却作用，有效地抑制了燃烧器的热辐射损伤。

新型燃烧器在水平射流作用下形成了水平燃烧火焰，延伸一段距离后并在浮力的作用下由高温区域向上偏转为扩散燃烧，在射流衰减和浮力的作用线形成一定的水平，速度逐步衰减并逐渐形成向上偏转和扩散的火焰形状。火焰根部和着火点位置与燃烧器本体出口有一定距离（见图2）。

图2 燃烧器喷头中心截面上温度分布

新型燃烧器仅在套筒内部形成局部高温区，内部燃料喷射前端和多分支喷头前部表面温度较高（见图3），热流密度也较大，可以通过内置耐火衬里消除高温对燃烧器本体的损伤，同时负压引射冷空气补充冷却燃烧器本体，保证其结构的稳定性。燃烧器套筒内最高温度约为700℃。套筒外壁温度很低，跟环境温度接近。

图3 燃烧器多分支喷头表面温度分布

2.1 小流量放喷工况热流密度分布

新型燃烧器是前部扩散高速喷射，可以确保燃料沿水平方向与空气交互混合并在速度衰减后向上方转向并继续扩展，为强化燃料空气的混合和预混稳定燃烧创造了必要条件，套筒内部结构可以防止出现乱流，强化了燃烧过程，增加了喷射燃烧的总面积，降低了过孔流速，减少射流与空气相互剪切消耗大量能量，提高了燃烧效率，可以确保降低射流速度和燃烧噪音，形成高效稳定的燃烧状态。

在放喷量为5×104m3/d时，通过调节风门开度，从新型燃烧器风门关闭和风门打开时热流密度分布方式明显不同（见图4），套筒外部热流密度较低，套筒内部和多分支分头表面热流密度较高。随着风门开度的增大，射流引射后部进入的空气质量增多，预混程度增大，引射的冷空气量增多，火焰高度略有降低，燃烧效率随风门开度增大而增加。新型燃烧器燃料有向前喷射的趋势然后再向上偏转。低流量放喷时，燃料喷射速度较低，只能延水平方向较短距离后就与空气混合燃烧在浮力作用向上偏转流动。

2.2 大流量放喷工况热流密度分布

图4 新型燃烧器风门开度不同时燃烧器热流密度

通过分析，在5×105m3/d和1×106m3/d放喷量时，套筒外部热流密度极低，内部燃料喷射前端和多分支喷头前部表面热流密度较高，且高流量放喷时，燃料和高速射流引射空气起到冷却作用，和火焰根部前移远离燃烧器本体，使喷头表面热流密度明显降低。在燃料喷孔直径不增大，1.5×106m3/d放喷量时，套筒内部前端和多分支喷头中心部分热流密度明显升高，不利于燃料烧器结构强度稳定。增大多分支喷头上喷孔直径后，在1.5×106m3/d放喷量时，喷头表面高热流密度区域明显减少。当放喷燃料增大到2×106m3/d时，套筒内前端和喷头表面热流密度又进一步降低（见图5），减少了热辐射对燃烧器本体的损害。